10BASE‐T1S Scrambler Analysis

Jiachi Yu, Dixon Chen, Hongming An, John Zang, Kevin Yang

IEEE 802.3cg ad hoc Meeting28 February  2018

2IEEE 802.3cg

Outline

Compare different schemes including the complementary Golay sequence preamble and payload scrambler as proposed by Tazebay, Cordaro, et al. (referred as Tazebay’s proposal in following slides)

Propose a new scheme which scrambles both the payload as well as part of the standard preamble 

Simulation and laboratory measurement results Conclusion

3IEEE 802.3cg

Introduction

• Tazebay, Cordaro, et al., proposed payload scrambling andcomplementary Golay sequence preamble replacement (cordaro_8023cg_short_reach_new_preamble_proposal_1220.pdf, cordaro_8023cg_01_0118_v2.pdf, tazebay_3cg_01b_0118.pdf) Scramble payload – reduce the peak emissions for some payload New preamble – better synchronization performance, further 

improvement in the PSD

(20x1, +8)

(16x1, 0)

4IEEE 802.3cg

Introduction

Some observations on Cordaro and Tazebay’s proposed changes: • The scrambler does effectively reduce the worse payload peak emissions• However, the proposed complementary Golay preamble results in:

Preamble is not encoded and not DC balanced – AC coupling drift, PoDL issue Breaks DME encoding and its self‐clocking property – the most important feature for a 

multi‐drop system for fast data and clock recovery (a few bits); but still doubles the channel bandwidth (no advantages over DME  but inherits the disadvantages)

Much longer synchronization (lock) time for the receiver; requires an individual preamble generator and detector increasing design complexity;

Introduces a 3 level signaling scheme instead of a 2 level binary of DME requiring an ADC for preamble detection; a dramatic increase in the receiver complexity;

PLCA may require significant modification, e.g. BEACON needs to be synchronized the same way as preamble (add preamble for sync), significantly reducing network efficiency

802.3cg D1.1 147.3.3 Preamble and payload format

Preamble and payload format proposed by Cordaro, Tazebay, et al.

JJ JK 55 55 55 55 55 SFD Payload  CRC H T/R

Ga32 32x0’s Gb32 32x0’s 55 SFD Payload  FCS

5IEEE 802.3cg

Possible Alternate Solution

After analysis of different payload patterns, we propose to scramble the 6 preamble octets following the JJJK and the payload of the frame: 

This has the advantage of: Maintains DME and clocking recovery Does not introduce three‐level encoding and unbalanced DC Does not change 10BASE‐T1S frame format PLCA scheme remains the same

Can the same level of PSD peak emission reduction be obtained??

Scramble Preamble (six octets) and Payload

JJ JK 55 55 55 55 55 SFD Payload  CRC H T/R

6IEEE 802.3cg

Analysis

JJ JK 55 55 55 55 55 SFD Payload  CRC H T/R

JJ JK 55 55 55 55 55 SFD Payload  CRC H T/R

Ga32 32x0’s Gb32 32x0’s 55 SFD Payload  FCS

Standard Preamble, Scrambled Payload

Both Standard Preamble (six octets) and Payload Scrambled (new proposal)

Cordaro & Tazebay’s Complementary Golay Sequence Preamble, Scrambled Payload

JJ JK 55 55 55 55 55 SFD Payload  CRC H T/R

Standard Preamble, Unscrambled Payload

7IEEE 802.3cg

Scrambler Positioning

Scrambler 4B/5B Encoder DME

4B/5B Encoder Scrambler DME

Mode 1: Scrambler inserted before 4B/5B Encoder

Mode 2: Scrambler inserted after 4B/5B Encoder

• Simulations show that better performance is achieved by inserting the Scrambler after the 4B/5B Encoder (Mode 2) than when inserting the Scrambler before the 4B/5B Encoder (Mode 1).

• The following plots only show the cases for Mode 2

8IEEE 802.3cg

Simulation Conditions

1415 xxScrambler:

Scrambler  initial (Tazebay):  [ 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 ] (new set)   [ 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 ]

5 different Payload lengths:   60, 160, 170, 342, and 1560 bytes

Payload:                5 different payloads captured by Wireshark

Spectrum RBW:    10 kHz, 100 kHz

9IEEE 802.3cg

Determine Scrambler Initial State

Scrambler  initial state (Tazebay):  [ 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1]

New initial states were searched by PSD flatness in the 6 preamble octets 55 55 55 55 55 SFD

New Scrambler initial state (this work):      [0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 ]Gives 2.2 dB and 1.2 dB better results for 10 kHz and 100 kHz RBW,  respectively

MHz (RBW 10 kHz) MHz (RBW 100 kHz)

Tazebay Scrambler Initial States New Scrambler Initial States

Tazebay Scrambler Initial States New Scrambler Initial States

10IEEE 802.3cg

60 Byte – Worse Case(3 dB better at low band, 0.6 dB worse at high band)(Tezebay’s vs this new proposal, same for next slides)

MHz (RBW 100 kHz)MHz (RBW 100 kHz)

MHz (RBW 10 kHz)MHz (RBW 10 kHz)

11IEEE 802.3cg

60 Byte – Worse Case(3 dB better at low band, 0.6 dB worse at high band)

MHz (RBW 100 kHz)MHz (RBW 100 kHz)

MHz (RBW 10 kHz)MHz (RBW 10 kHz)

12IEEE 802.3cg

160 Byte – Normal Case(1.5 dB better at low band, 1.7 dB better at high band) 

MHz (RBW 100 kHz)MHz (RBW 100 kHz)

MHz (RBW 10 kHz)MHz (RBW 10 kHz)

13IEEE 802.3cg

160 Byte – Normal Case(1.5 dB better at low band, 1.7 dB better at high band) 

MHz (RBW 100 kHz) MHz (RBW 100 kHz)

14IEEE 802.3cg

170 Byte – Normal Case(0.7 dB worse at low band, 1.2 dB better at high band) 

MHz (RBW 100 kHz)MHz (RBW 100 kHz)

MHz (RBW 10 kHz)MHz (RBW 10 kHz)

15IEEE 802.3cg

170 Byte – Normal Case(0.7 dB worse at low band, 1.2 dB better at high band) 

MHz (RBW 100 kHz) MHz (RBW 100 kHz)

16IEEE 802.3cg

342 Byte – Worst Case(1.5 dB worse at low band, 0.2 dB better at high band)

MHz (RBW 100 kHz)MHz (RBW 100 kHz)

MHz (RBW 10 kHz)MHz (RBW 10 kHz)

17IEEE 802.3cg

342 Byte – Worst Case(1.5 dB worse at low band, 0.2 dB better at high band)

MHz (RBW 100 kHz) MHz (RBW 100 kHz)

18IEEE 802.3cg

1560 Byte – Normal Case(0.4dB better at low band, 0.5 dB better at high band)

MHz (RBW 10 kHz)

MHz (RBW 100 kHz) MHz (RBW 100 kHz)

MHz (RBW 10 kHz)

19IEEE 802.3cg

1560 Byte – Normal Case(0.4dB better at low band, 0.5 dB better at high band)

MHz (RBW 100 kHz) MHz (RBW 100 kHz)

20IEEE 802.3cg

Improvement Summary

21IEEE 802.3cg

Lab Measurements

• The lab data is measured using:

• Tektronix AWG4162 arbitrary waveform generator• Agilent E4404B  spectrum analyzer

22IEEE 802.3cg

60 Byte – Worst Case Lab Results(0‐30 MHz Span)

Original data

This proposal

Tazebay & Cordaro’s proposal

• 15 dB peak on original data• 8.3 dB reduction with Tazebay & 

Cordaro’s proposal• 9.8 dB with this proposal• 1.5 dB vs 3 dB from analysis

23IEEE 802.3cg

60 Byte – Worst Case Lab Results(80‐95 MHz Span)

Original data

This proposal

Tazebay & Cordaro’s proposal

• 7.2 dB reduction with Tazebay & Cordaro’s proposal

• 6.1 dB with this proposal• 1.1 dB vs 0.6 dB from analysis

24IEEE 802.3cg

1560 Byte – Normal case Lab Results(0‐30 MHz Span)

Original data

This proposal

Tazebay & Cordaro’s proposal

• 2.8 dB reduction with Tazebay & Cordaro’s proposal

• 2.5 dB with this proposal• 0.3 dB worse vs 0.5 dB better from 

analysis

25IEEE 802.3cg

1560 Byte – Normal case Lab Results(80‐95 MHz Span)

Original data

This proposal

Tazebay & Cordaro’s proposal

• 2.6 dB reduction with Tazebay & Cordaro’s proposal

• 2.1 dB with this proposal• 0.5 dB worse vs 0.5 dB better from 

analysis

26IEEE 802.3cg

Results Summary 

Simulation and lab measurements demonstrate that  the proposed scrambling of the preamble and payload will achieve the same level of PSD peak emission reduction the preamble and scrambler proposed by Cordaro, Tazebay, et al.,

keeps the PLCA untouched and maintaining the DME encoding self‐clocking property permitting a lower cost system implementation.

27IEEE 802.3cg

10BASE‐T1S Scrambler Proposal

Scrambler is inserted after the 4B/5B encoder and before the DME Scrambler:

Polynomial:  +  1 Initial value: [ 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 ]

Scramble all data after “JJJK”, including “ESD” and “ESDOK/ESDERR” Descrambler is initialized after receiving “K”

4B/5B Encode Scrambler DME

Encode4B/5B DecodeDescramblerDME

Decode

Payload CRCSFD55555555555555

Payload CRCSFD5555555555JJ KJ H TR

MAC Frame

10BASE-T1SFrame

Scrambled

Preamble

28IEEE 802.3cg

Conclusion

A new scrambler for scrambling the preamble and payload is proposed for 10BASE‐T1S

The proposed preamble and payload scrambling scheme provides the following advantages: As effective at reducing peak PSD peak emissions as the method proposed by Cordao, Tazebay, et al.,

Maintains the DME self‐clocking property for fast CDR(a few bits),

Retains two‐level binary signaling, Keeps the original frame preamble and format, and No change in PLCA scheme needed and therefore no reduction in the efficiency of the network.